第四章-地磁学1-3节1

第四章地磁学4．1地磁场的基本概念4．1．1磁场强度和磁势物理基础梯度、旋度、散度：见附录二（P212）梯度的坐标表示式：(标量取梯度变成矢量）直角坐标：柱坐标：球坐标：kjizVyVxVVzrzVVrrVVeee1eeeVrVrrVVrsin11散度的坐标表示式：直角坐标：柱坐标：球坐标：zVyVxVzyxVzrrrrzrVVVV1)(1VVVsin1)(sinsin1)(122rVrrrrr地磁场满足麦克斯韦方程组：,0sBdsDjlHdtd)(0利用高斯定理和斯托克斯定理，可将上述两个积分形式的方程变换为微分方式的方程tDjHB00B为磁感应强度矢量；H为磁场强度矢量；j0为电流密度矢量；D为电位移矢量；为位移电流密度矢量tD在地球表面附近，大气的电导率0即空气可视为绝缘体。于是传导电流密度00Ej又由于地球地磁场随时间变化比较缓慢，可视为似稳场，所以位移电流密度0tD于是有：，说明在上述近似条件下，地磁场是一个无旋场，可引入一个标量磁势U，使得00tDjHUH磁感应强度B和磁场强度H：地磁场是一个无旋场(是某个标量场的梯度)：标量磁势（满足拉普拉斯方程）：HBUH02U0B由此可见，只要，上式处处成立。在上述条件下，可引入磁荷的概念。0tD0二、磁库仑定律和磁荷单位电荷和磁荷的相似性=》磁荷和电荷有相同的规律性磁库仑定律（两个点磁荷之间相互作用的规律）：真空中两个静止点磁荷之间的相互作用力F的大小与它们之间的距离r的平方成反比，与每个磁荷的数量的乘积成正比，相互作用力的方向沿着它们之间的连线，同号磁荷相斥，异号磁荷相吸。用公式表示：221rkmmQQF磁场强度H：试探磁荷在磁场中所受的力。单位：或奥斯特（两单位之间的换算：磁感应强度B：单位：国际单位制SI中，特斯拉T高斯单位制中，高斯Gs两单位之间的换算：2041rmmoQQFH1mA241rmQB点磁荷在空间产生的磁场强度。点磁荷在空间产生的磁感应强度。三、磁势磁场中某一点的磁势U等于自该点经过任意路径到无穷远处磁场强度的线积分，公式表述如下：对点磁荷有：所以由：有：rdrHU2041rmmoQQFHrQdrrQdrHUmrmr0204141HBUHkzUjyUixUB0四、磁偶极子磁偶极子：磁偶极子是由一对等量异号的点磁荷组成的体系，点磁荷之间的距离l远比到场点的距离r为小。在距磁偶极子中心O点相当远的场点P的磁势为：磁偶子的磁偶极矩和磁距之间的关系为：MPm04．1．2地磁场组成地磁场是一个弱磁场。从一级近似来看，地磁场近似于一个置于地心的磁偶极子的磁场。磁偶极子的磁轴和地轴之间斜交有一个角度。磁轴在地面上的两个交点分别称为地磁北极和地磁南极。地磁北极与地理北极相邻，地磁南极与地理南极相邻。地磁场的组成：地磁场由多种不同来源的磁场叠加而成。按稳定性来区分，地磁场可分为两大部分：主要来源于地球内部的稳定场主要来源于地球外部的变化磁场据地磁场的高斯球谐分析，稳定磁场和变化磁场还可以分为起源于地球内部和地球外部两部分。内源场：起源于地球内部的稳定磁场称为地磁场的内源场。外源场：起源于地球外部的稳定磁场称为地磁场的外源场。外源变化磁场起源于地球外部的各种电流体系。这种外部变化的电流体系的磁场还会在具有导电性质的地球内部感应出一个内部电流体系，这是产生内源变化磁场的原因。•虽然变化磁场比主磁场小得多得多，但它的时空分布和变化，能灵敏地反映上至太阳活动、行星际空间，下至地壳、地慢以至地核中发生的与电磁有关的各种物理过程，对研究星际空间的物理现象、空间介质和运动极为重要，也是所究地球内部导电性能的重要途径之一。•二、地磁要素地磁要素描述地磁场大小与方向特征的物理量。•地磁场是一个矢量场，因此，空间任何一点的地磁场F必须用三个独立的分量才能表示出来。•这些分量的名称及其度量方法，根据采用坐标系的不同而不同。•例如，•直角坐标系中用北向分量X，东向分量Y和垂直分量Z表示，这些分量分别以地理•北、地理东和垂直向下指向地心为正向;•球坐标系中用磁偏角D、磁倾角I和水平分量H表示。•D是F偏离正北方向的角度，以F偏东为正、偏西为负；•I是F偏离水平面角度，在北半球取F下倾的I为正，在南半球取F上仰的I为正；H是F在水平面上的投影，以指磁北为正向;•柱坐标中用磁偏角D,水平分量H和垂直分量Z表示。•地磁学中人们把描述地磁场大小和方向的物理量X、Y、Z、H、D、I、F称做地磁要素。•此外，称F所在的垂直平面为磁子午面。各要素之间并不互相独立，其关系下图所示，其关系式为:•F＝X2＋Y2＋Z2•H2＝X2＋Y2•Y＝HsinD•Z＝HtanI4．1．3地磁要素一、直角坐标系（）在理论研究中常采用直角坐标系，但由于一般不可能直接测出x和y两个分量，所以通常采用柱坐标系或球坐标系。二、柱坐标系（）地磁台站对地磁场作相对测量时，常采用柱坐标系。三、球坐标系（）在野外或台站对地磁场作绝对测量时，常采用球坐标系。地磁要素之间的相互关系地磁三要素：要想确定地面上一点地磁场的强度和方向，至少要测出任意三个彼此独立的地磁要素，称之为地磁三要素。根据地磁要素之间的关系，在地磁三要素中，磁偏角D是必须测量的，其他两个要素可任意选测。4．1．4地磁图地磁图：在地图上作出的地磁要素等值线图。可以将某区域乃至整个地球的地磁场的数值和特征清晰地表示出来。等值线图：将同一时代地面上各测点的某个地磁要素值相等的点连接起来的光滑曲线。等偏线图、等倾线图等。由于地磁要素随时间变化的特性，因此必须把测量的数值换算到某一特定日期。一般来说，世界地磁图通常每5年画一次，日期通常选在某一年的元月元日，也有选在某一年的7月1日。世界地磁场等偏图：有几条D=0°的等偏线，把磁偏角分为正负两个区域。等偏线在南北两半球上汇聚于四个点，两个是磁极，两个是地极。等倾线是大致沿纬度分布的一系列平行曲线，分布均匀且规则。由赤道到两极，倾角由0°逐渐达到正负90°。零值等倾线称为磁赤道（或倾角磁赤道）。磁极就是倾角等于正负90°的两点。不仅地磁要素的数值随时间变化，而且南北磁极的位置也随时间变化。世界地磁场水平强度等值线图：水平强度等值线大致是沿地理纬度排列的曲线族。从北磁极到南磁极，其数值由零逐渐增至最大，然后再逐渐减至零，最大值在赤道附近，但最大值在不同的子午线是有差别的。世界地磁场垂直强度等值线图：垂直强度等值线也是大致沿纬度排列的曲线族。在赤道附近数值为零，在南北两磁极处最大。总磁场强度等值线图•等值线与纬度线近乎平行，其值在磁赤道约30000-40000nT,向两极增大，在两极约为60000-70000nT。世界地磁场垂直强度等值线图：垂直强度等值线也是大致沿纬度排列的曲线族。在赤道附近数值为零，在南北两磁极处最大。从世界地磁图中可以看出：全球地磁要素的地理分布与地球大构造带之间并无明显联系，这是因为地磁场主要是由地核以及核幔界面附近的物质所产生的，因此它和地壳以及上地幔大构造带的位置不相符合。各个地磁要素的等值线的分布是不均匀的，甚至在某些地区形成封闭的曲线。这种情况说明了非偶极子磁场的存在。地磁场的基本规律(1)地球有两个磁极，分别位于地理南北两极附近。在1980年的世界地磁图上，北磁极位于78.20N，102.90W；南磁极位于65.60S，130.90E，在南、北两磁极处，磁倾角I分别为±900，垂直强度Z有最大值、水平强度H为零、磁倾角D没有确定值。(2)水平强度(H)在地表上任何一点(除两磁极点外)都指向北。垂直强度(Z)在北半球指向下，为正值；在南半球指向球外(向上)，为负值。说明地球磁极位于北半球的是S极，位于南半球的是N极。(3)地球南北两磁极处的总磁场强度为0.6－0.7奥斯特，在磁赤道处的总强度为0.3－0.4奥斯特，前者约为后者的两倍，磁倾角随磁纬度按一定关系变化。这些特征和均匀磁化球体或中心偶极的磁场分布特征基本一致。(4)南磁极和北磁极与地球的地理南、北两极并不重合，可以认为是地球中心磁偶极子轴与地球转轴相斜交。根据以上的规律，可以认为地球基本磁场的模式是一个位于地球中心并与地球转轴斜交的磁偶极子的磁场。磁轴和地轴斜交11.50的中心偶极子场与地磁要素分布吻合的最好。中国地磁图－T5、中国地磁场的基本特征中国地磁图－Z中国地磁图－H中国地磁图－I中国地磁图－D由我国编制的中国地磁图表明有以下特点：垂直强度由南至北，Z值由-0.10奥增至0.56奥，Z值在我国境内的最大变化在0.6奥以上；水平强度由南至北，H值由0.4奥降至0.21奥，H值最大变化在0.13奥以上；磁倾角由南至北，I值由-10度增至+70度，I值最大变化在80度以上；磁偏角的零值线在我国中部偏西由北向南通过，经过甘肃省的安西和西藏自治区的得宗。零偏线以东，偏角变化由0度至11度(西)，零偏线以西，偏角变化由0度至5度。研究工作有时需要了解世界或全国的正常磁场的分布状况。正常磁场分布图的一般绘制方法是在小比例尺地图上对世界（或全国）地磁图的等值线加以光滑而成。这种经过光滑后的地磁图消除了异常磁场部分，只剩下正常磁场。地磁场的实测表明，各地磁要素在地面上的分布并不遵循地心偶极子磁场的分布规律，二者之间有较为显著的差异。从世界正常地磁图中减去按地心偶极子磁场计算出来的地面磁场数值，这种差值即为非偶极子场（也称大陆磁异常或剩余磁场）。非偶极子磁场是围绕着几个中心分布的，分布的地域非常广。这些异常中心的位置和强度随不同的年代而变化。非偶极子磁场从世界地磁图中减去地磁场的偶极子磁场，即可得到非偶极子磁场。非偶极子磁场：非偶极子磁场可能是由地核和地幔边界附近存在着物质的对流运动形成涡流电流形成的。卫星测量表明：非偶极子磁场随高度的增加衰减很慢，这是非偶极子磁场可能起源于地球深部的一个依据。4．1．5区域及局部地磁异常区域及局部地磁异常区域就是地磁场梯度发生显著差异的地方。在这些地区内地磁要素分布复杂。这些地磁异常是由地壳内岩层受到磁场的磁化引起的。按磁异常的分布范围分为区域异常和局部异常：磁异常的成因：在于地壳构造的不均匀以及地壳内岩层在地磁场中受到磁化后所产生的磁场。4．2基本磁场4．2．1地心偶极子磁场（不讲）4．2．2地磁场的球谐分析（不讲）4．2．3地磁场的长期变化4．2．4地磁场的成因•四、地磁场模式•表达地磁场的模式有三种：•第一种是用球谐级数表示地磁场分布，叫球谐模式；•第二种是用若干个偶极子表示地磁场分布，叫做偶极子模式;•第三种是用若干电流环表示地磁场分布，叫做电流坏模式。•一般地说，球谐分析是最常用的方法。•但是，球谐模式不能反映地磁场场源的实际状况，这是球谐分析方法的不足之处。•偶极子模式和电流环模式有助于阐明地磁场及长期变化的起源。•例如，采用径向偶极子模式时，取一个放在地心的偶极子和若干个放在地核界面上的偶极子，这样所得的地磁场分布与实际的地磁场分布相差很小，这种偶极子模式与地磁场来源于地核内的说法也是一致的。•目前，偶极子模式不仅可以表示全球范围的地磁场及长期变化，而且也可以表示某一局部地区的相应分布。五、磁层•1、磁层的形成•地磁场的空间形态可以近似的用相对于地磁轴对称分布的磁力线来描述，在没有任何外界作用的情况下，它将对称地向行星际空间无限延伸。•然而人造卫星的空间探测资料表明，地磁场是有明确的边界，这个边界以内的地磁场叫做地球磁层。•这是因为当太阳风按扇形结构向星际空间传播时与地球磁场发生相互作用，太阳风的高能电离子流在地磁场中产生感应电流，此感应电流的磁场叠加在地磁场上迫使地磁场改变方向，•与此同